基于智能机械臂的任意扫描曲面天线测试系统

陈 烨，马玉丰，张启涛，王 宇

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

天线辐射性能测试是整个天线研制过程中最重要的环节之一，通过对设计结果与实测结果进行分析，从而验证天线实际性能是否达到理论设计指标。

传统天线测试系统可以分为室外测试场和室内测试场[1]，室外测试场通常为开放型远场，其测试条件恶劣，测试结果受环境影响较大，如图1所示。室内测试场将测试系统建设在具有吸波环境的暗室内[2]，根据不同的天线形态和需求，通过集成控制及射频等子系统，建成各种不同类型的测试系统。航天五院西安分院一直致力于天线测试领域技术研究，主导建设了垂直平面近场、水平平面近场、多探头球面近场、双反射面紧缩场等国际一流、国内领先的测试系统，如图2所示。

图1 室外开放远场测试系统Fig.1 Outdoor farfield antenna measurement system

图2 吸波暗室测试系统Fig.2 Antenna measurement system in the chamber

为了最大程度提高测试效率和准确度，往往不同的测试系统针对不同结构和特点的天线。例如垂直平面近场适合姿态固定的中高增益天线测试；球面近场则适合宽波束天线测试，多探头则为其提供了超高的测试效率；水平平面近场则是网状天线、伞天线的首选测试系统；紧缩场则可为交叉极化要求较高的各类天线提供高性能的测试方案。上述这些典型测试系统各有特点，适用于不同类型的天线，然而系统中的高精度转台、扫描架、反射面等造价极高，导致高精度系统成本居高不下，成本较低的系统却难以达到精度需求的困境。

介绍的基于智能机械臂的任意曲面天线测试系统，利用六轴机械臂的灵活性及较高的定位精度，搭配相应射频仪表及附件，可实现平面近场、球面近场、柱面近场三合一的功能，且具有占地小、成本低、精度高、灵活可移动等优点，可有效缓解测试资源紧张的局面，同时对电测领域的技术提升具有参考意义。

1 机械臂概况研究

1.1 国内外发展现状

德国提出“工业4.0”概念的同时，中国也提出了“中国制造2025”，重点强调融合信息化和工业化引导与带动整个制造业发展。工业机器人及机械臂系统的发展与应用，更是智能化的重中之重。

国外机器人技术起步较早，经过五十多年的发展，已经逐渐成熟并形成了一些具有影响力的公司，包括：瑞典ABB、德国KUKA、美国ATA；以及日本YASKAWA(川崎)、FANUC(发那科)等公司[3]。美国最早研制的遥控机械臂最初工作于自动化生产中，解放了重复性工作的人工成本，同时机器人连续不间断的工作模式也极大提高了工作效率。更有医学医疗、航空航天等精密领域的参与，更加注重人机交互，完成人工无法进行的作业。例如焊接、采矿等环境恶劣的工种，使用机器人作业既可保证工作质量，同时避免了工伤事故。更有服务于残疾人士的医疗用机械臂，以及可安装在轮椅上的助老助残机械臂等[4]。美国NSI实验室也成功将机械臂应用于天线测试领域，实现了利用六轴机械臂完成天线近场数据扫描的技术方案。

国内研究虽然起步晚，但是在国家科技政策的支持下发展迅猛，涌现出了广州启帆、沈阳新松、上海新时达等国内机器人品牌制造商。同时，高校与科研院所也在各自的领域不断创新，哈尔滨工业大学成功研制了210 kg负载机器人、点焊和弧焊机器人[5]，中科院研制出可穿戴下肢助力机器人[6]，上海交大也研制出用于医疗手术操作的机器人[7]，中国空间技术研究院西安分院通过控制并优化机械臂路径，研制出可实现天线测试的机械臂系统。

1.2 未来发展趋势

纵观世界各国机械臂技术的发展，都在向模块化、智能化和个性化的方向发展[3]。具体而言，模块化就是将机械结构如关节、连杆等，以可重构的方式代替机械臂整体，提高机械臂的可靠性及可维修性。智能化则指通过算法优化设计和多传感器融合技术提升机械臂灵活性和准确度。个性化则是指通过开放的接口环境，建立仿真编程环境，增强人机交互和二次开放能力，使机械臂应用于更多场景，以实现多样化的需求，向更宽广的应用领域发展。

2 基于智能机械臂的任意扫描曲面天线测试系统设计

人工智能与天线测试相结合开辟了天线测试发展的新纪元，利用人工智能机器人来代替原始的天线测试转台与伺服控制，具有得天独厚的优势。

2.1 系统组成

机械臂天线测试系统可实现平面近场、柱面近场、球面近场三合一的功能，扫描面积主要取决于机械臂自身的运动范围，配合三维转台的转动，可实现的近场扫描类型及范围如表1所列。

表1 机械臂天线测试系统可实现的扫描类型及范围

整个机械臂天线测试系统置于吸波暗室内，由3个子系统组成：射频子系统、机械子系统和控制子系统。系统通过选用德国KUKA公司的六轴机械臂夹取馈源天线，配合三轴待测天线转台，通过自主编程控制并优化机械臂的行走路径完成相应坐标系扫描，能够以最优扫描路径进行数据采集以提高测试效率，同时与射频子系统进行交互，采集各点的电场场强信息，从而实现待测天线近场性能的自动测试。图3为天线测试机械臂系统示意图。

图3 机械臂天线测试系统示意图Fig.3 Robot arm antenna measurement system

2.2 系统控制技术实现

机械臂天线测试系统采用TCP/IP SOCKET通信方式进行控制通信，具体通信流程如图4所示。

图4 系统通信控制流程Fig.4 Procedure of system communication and control

上位机发送控制通信协议给PLC控制器，PLC控制器经过协议转换，将其翻译成机械臂可识别的机械代码并发送至机械臂本机，机械臂本机接收到指令代码，结合其自身的运动控制算法，进一步优化并控制机械臂的空间运行轨迹。如此交互式地通信控制机械臂空间扫描路径，配合搭载的探头天线，即可实现不同的天线近场幅相信息扫描及相应坐标系的建立。

2.3 后处理算法实现

通过机械臂采集到近场的幅相信息后，需要通过近远场变换，将采集到的数据处理后得到实际的远场辐射方向图等相关信息。

2.3.1 平面近远场变换算法

近场测量用的探头实际上是一个小天线，它的尺寸并非为零，探头的接收信号即测量值与探头的特性有关[8]。同样的近场分布用不同的探头去测量,其测量值会有所不同,而天线的固有特性是与探头无关的。为了由测量数据准确推出天线的近场和远场特性，应当在计算中把探头的影响消除掉。为此必须建立天线与探头间的耦合方程，即找出待测天线发射时探头接收信号与待测天线输入信号之比与这两个天线的特性及相互位置间的关系。

根据平面波普展开理论及傅里叶变换原理[9]，可推导得到天线与探头方向图的耦合方程如式(1)、(2)所示[10]，展开推导过程本文不再赘述。

(1)

(2)

式中：

(3)

(4)

于是式(1)和式(2)可进一步表示为：

(5)

(6)

2.3.2 球面近远场变换算法

在球面近场测量过程中，探头总是正对待测天线，因此探头的影响可以忽略不计。在球坐标系下建立天线场方程，通过求解汉姆霍茨方程，令kr区域无穷时，可得到天线远场的方向图表达式：

(7)

(8)

(9)

以及两个关键性系数的表达式，具体推导证明过程并非本文重点,因此省略。

(10)

(11)

通过探头采集相关信息后代入式(10)、(11)求得两个核心系数，其中r为探头采集半径值，将结果代入式(8)、(9)即可得到待测天线远场方向图信息。

利用编程实现近远场变换的核心算法，可实现平面、柱面及球面近远场变换功能、以及平面口径场回推功能；同时可实现基本的数据分析、处理和输出功能。经过实际测试验证[11]，达到商业测试分析软件同等水平。如图5所示，为该机械臂天线测试系统系统搭载自主开发的后处理分析软件，实现标准增益天线的测试结果图。

图5 机械臂天线测试系统实测结果 Fig.5 Test result of robot arm antenna measurement system

3 应用及验证

为进一步验证智能机械臂天线测试系统的测试准确性，选用相同待测件在自主研发的天线测试机械臂系统与现有可靠的天线测试系统之间进行比对测试[12-15]，比对测试方向图结果如图6所示，具体测试数据比对如表2所列。

图6 方向图测试结果对比Fig.6 Comparison of radiated pattern

表2 测试数据结果对比

由此可见，两个系统之间的比对测试结果一致性较好，智能机械臂系统的测试精度与传统测试系统相当。

除此之外，相比传统近场测试系统，它还具有很多优势，例如扫描类型多样以适配不同特点的天线产品，智能优化扫描路径以提高效率；相比配置扫描架的传统系统而言，造价相对低廉，占地小且可移动等性能，具体如表3所列。

表3 测试系统性能对比

4 结论

在研究工业机械臂的应用的基础上，重点介绍了中国空间技术研究院西安分院研制的国内首例基于智能机械臂的任意曲面天线测试系统的系统设计和应用验证。该系统基于成熟机械臂产品进行自主开发，通过控制机械臂通信技术，搭载自主研发的处理算法，成功将机械臂应用于天线测试领域，技术水平可对标美国NSI实验室的机械臂天线测试系统，开创了智能化天线测试领域的新纪元。其灵活高效的工作模式可实现各类导航天线、通信天线等星载天线的高精度测试需求，这也标志着我国航天领域进入智能化、核心技术自主可控的发展阶段，对“宇航智造”的升级变革具有里程碑意义。